АСУ ТП ТА ст. №1 – еще один шаг на пути к полной...

В ноябре 2004 г. на ОАО "Нижне-Тагильский металлургический комбинат" (НТМК) была введена в эксплуатацию автоматизированная система управления технологическим процессом турбоагрегата ст. №1 турбинного цеха НТМК (АСУ ТП ТА ТЦ ТЭЦ НТМК), включающая в свой состав АСУ ТП насосной станции.

«НТМК» поставил перед специалистами научно-производственной фирмы «Ракурс» задачу, создать АСУ ТП, предназначенную для автоматизированного контроля технологических параметров, управления и защиты турбоустановки в составе паровой турбины ПТ-29/35-2,9/1,0 и турбогенератора ТФП-25-2У3. Дополнительно АСУ должна контролировать работу и управлять вспомогательным оборудованием, обслуживающим турбину, генератор, насосную станцию и дроссельные устройства. Данная система должна войти в состав автоматизированной системы оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ) турбинным цехом ТЭЦ НТМК.

Технические характеристики турбины: турбина паровая ПТ-29/35-2,9/1,0 – стационарная, конденсационная, с регулируемыми отборами, производства ОАО “КТЗ”.

Номинальные значения основных параметров турбины:

- Мощность,МВт 29;

- Абсолютное давление свежего пара,МПа 2,9;

- Температура свежего пара,°С 405;

Технические характеристики турбогенератора: турбогенератор ТФП-25-2У3 – трехфазный, синхронный, с воздушным охлаждением, производства ОАО “Электросила”.

Номинальные значения основных параметров генератора:

- Активная мощность,МВт 25;

- Коэффициент мощности 0,8;

- Напряжение, кВ 6,3;

- Частота, Гц 50;

- Система возбуждения СТС.

Основное назначение АСУ ТП – автоматизированное управление ТП, обеспечение длительной, эффективной и безаварийной работы оборудования при минимальных эксплуатационных затратах.

АСУ ТП была выполнена на базе программно-технического комплекса (ПТК) "Ом-мега" ТУ4252-001-27462912-98 с применением промышленных контроллеров и других средств вычислительной техники, обеспечивающих:

-эффективную работу объекта управления, безопасность и безаварийность технологического процесса;

-требуемую точность, достоверность и своевременность оперативной информации о состоянии технологического процесса предоставляемой персоналу и выдачи отчетной документации в удобном для последующего анализа виде;

-адаптивность к возможным изменениям технологического процесса и алгоритмов управления, своевременное выявление неполадок и отклонений;

-автоматическое предотвращение развития предаварийных ситуаций;

-регистрацию срабатывания средств противоаварийных защит и блокировок с запоминанием первопричины;

-предотвращение ошибочных действий персонала путем своевременной сигнализации и блокирования ошибочных команд управления;

-предоставление необходимой информации для анализа изменения технологических параметров и прогнозирования оптимальных режимов работы оборудования;

-улучшение культуры труда, повышение интеллектуального уровня оперативного и обслуживающего персонала;

АСУ ТП ТА ст.№1 имеет распределенную, многоуровневую систему управления и сбора данных. В информационной структуре системы (рис. 1) можно выделить пять уровней.

К первому уровню относятся промышленные сети Compobus/D, Compobus/S и система сбора данных (ССД), на которые возложена задача сбора информации с аналоговых и дискретных датчиков, информации о состоянии задвижек, клапанов, насосов и других механизмов.

Сеть Compobus/D является высокоскоростной сетью предназначенной для устройств различных производителей, сочетающей в себе управление и обмен данными на уровне механизм-линия, подчиняющейся характеристикам открытой сети DeviceNet. Максимальная скорость обмена информации Master – Slave равна 500 Кбод. Протяженность сети не более 500 м. В АСУ ТП ТА ст.№1 данная сеть используется для приема входных аналоговых сигналов 4-20 мА. Сеть Compobus/S, является высокоскоростной сетью предназначенной для обмена данными на уровне механизм - линия. Скорость обмена информации Master – Slave равна 750 Кбод. При подключении до 16 Slave – модулей на 128 точек входа/выхода цикл опроса будет составлять всего 0,5 мс. Этот цикл достаточно мал, поэтому данная сеть в АСУ ТП ТА ст.№1 используется для приема дискретных сигналов.

Система сбора данных является разработкой ООО "НПФ "Ракурс" и представляет собой систему приема аналоговых сигналов. ССД представляет собой концентраторы линий связи ССД LCD-RS422, объединенных в локальную вычислительную сеть и подключенных к вычислительному устройству верхнего уровня через последовательный интерфейс RS422. К каждому концентратору линий связи может быть подключено до 16 любых цифровых измерительных преобразователей (ЦИП). Система сбора данных ССД в АСУ ТП ТА ст.№1 используется для приема сигналов с термопреобразователей сопротивления и термопар.

Применение сетей Compobus/D, Compobus/S при значительной экономии технических средств, интеллектуальных и временных ресурсов позволило создать надежную систему сбора аналоговой и дискретной информации, имеющую гибкую структуру. Основными преимуществами данных сетей являются: легкость при расширении, компактность, надежность и простота монтажа. Сети предоставляют широкие возможности по отслеживанию внутренних неисправностей. Также возможна замена вышедших из строя узлов без прерывания работы (опроса) остальных.

Ко второму уровню в структуре АСУ ТП ТА ст.№1 относятся промышленные программируемые логические контроллеры (ПЛК) японской фирмы Omron. На этом уровне производится анализ информации полученной с датчиков и выработка управляющих воздействий на отдельные механизмы согласно алгоритмам управления. Здесь реализованы алгоритмы управление турбоагрегатом в различных эксплуатационных режимах: прогрев, пуск и работа с поддержанием заданных параметров, штатный или аварийный останов. Созданная программа управления, обеспечивает действие всех необходимых защит и блокировок в соответствии с нормативными документами.

Для повышения надежности системы управления турбоагрегатом было решено организовать работу ПЛК по принципу "Основной – резервный". Функцию основного выполняет мощный, высокопроизводительный контроллер серии CS1H с центральным процессором CPU65H (контроллера ТА). Функцию резервного выполняет менее мощный и дешевый контроллер CPM2C – 32СВЕС – D. Основной и резервный контроллер постоянно диагностируют работу друг друга. Контроллер ТА осуществляет полный контроль и обработку информации, поступающей с других уровней АСУ, выдачу управляющих команд на низший (первый) уровень. Время выполнения управляющей программы основного ПЛК составляет 70 мс. Резервный контроллер при выходе из строя основного ПЛК отрабатывает автоматический алгоритм останова турбоагрегата. Основной контроллер питается от источника переменного напряжения (~ 220 В), а резервный, от источника постоянного напряжения (= 220 В). Причем в системе управления установлен источник бесперебойного питания (ИБП), работающий в режиме on-line с двойным преобразованием. ИБП преобразует переменный ток в постоянный, а затем выполняет обратное преобразование. Основная функция ИБП - защита питаемой нагрузки от всех существующих помех в электросети, длительного или кратковременного повышения-понижения напряжения, полного отключения электропитания.

Такое решение позволило избежать дорогостоящего варианта полного дублирования основного контроллера. При этом была решена проблема потери контроля над турбоагрегатом при выходе из строя основного контроллера АСУ.

Задача контроля и управления механизмами насосной станции и дроссельного устройства возложена на два одинаковых ПЛК серии CS1G CPU43H: контроллер Н и контроллер ДУ. Время выполнения управляющей программы данных ПЛК составляет 30 мс. На контроллере насосной станции реализован алгоритм работы задвижек, насосов, регуляторов и их взаимные блокировки. Решена задача автоматического ввода резерва насосов (АВР насосов), автоматического открытия – закрытия задвижек, располагающихся на всасе и напоре повысительных насосов. В свою очередь на ПЛК ДУ, организована работа механизмов, относящихся к дроссельным устройствам.

Программируемые контроллеры ШУ и ДУ являются узлами промышленной сети Controller Link. Контроллеры ДУ и Н связаны друг с другом по RS422 интерфейсу (см. рис. 1). Это обеспечивает обмен данными между контроллерами. Такой обмен необходим, для реализации автоматических алгоритмов управления и для полного (комплексного) сбора информации обо всех процессах, контролируемых АСУ. Промышленная сеть Controller Link – это сеть для систем промышленной автоматизации, в которой участники сети могут передавать и принимать пакеты данных большого объема. Скорость передачи данных 2 Мбод при длине канала передачи 500 м. Максимальное количество узлов 32.

К третьему уровню в структуре АСУ ТП ТА ст.№1 относятся: рабочая станция (станция оператора), состоящая из персонального компьютера (ПК) и программируемого терминала японской фирмы Omron NT631С-ST151-EV2; терминал NT31-ST121-EV2 насосной станции; терминал NT31-ST121-EV2 дроссельных устройств. ПК в промышленном исполнении служит для полной диагностики и управления технологическим процессом. С помощью пакета разработки SCADA систем CX-Supervisor фирмы OMRON специалистами НПФ "Ракурс" был разработан интерфейс оператора, максимально доступный, понятный и одновременно функциональный. На экран монитора выведены мнемосхемы различных функциональных групп (пар, вода, масло и другие), выведена информация по всем механизмам и по всем датчикам, контролируемым АСУ, состояние защит турбоагрегата и многое другое. Сюда же выводятся диагностические сообщения о неисправностях системы, о нарушении технологического процесса. При необходимости, оператор (машинист) может просмотреть все события, случившиеся за определенный промежуток времени (дискретная история), может вывести график зависимости интересующего его параметра (температура, вибрация, давление и многие другие) от времени. Таким образом, оперативному персоналу предоставляется возможность быстро и точно анализировать текущее состояние турбоагрегата, восстанавливать очередность событий, случившихся во время их отсутствия. Это позволяет принимать быстрые и правильные решения, от которых часто зависит исправность оборудования и безаварийное протекание технологического процесса. Программируемые NT терминалы (панели) выполнены по технологии «touch-screen» и предназначены для отображения и ввода информации посредством псевдо-сенсорных клавиш, отображаемых на экране терминала. NT терминал предназначен для визуального контроля и управления технологическим процессом при отсутствии или неисправности ПК. Панель на прямую связана с контроллером по RS422 интерфейсу. Главное достоинство NT терминала – это надежность и безотказность в работе при жестких условиях эксплуатации.

К четвертому уровню в структуре АСУ ТП ТА ст.№1 относятся сервера. Их задача - архивирование всех аналоговых и дискретных сигналов, формирование суточных и месячные отчетов, подготовка данных для последующей передачи в системы более высокого уровня. На серверах используется система управления базой данных (СУБД) MS SQL 2000. Базы данных хранящиеся на сервере доступны для просмотра из других систем по протоколу TCP/IP.

В турбинном цехе ТЭЦ НТМК существует два сервера, на которые стекаются данные с АСУ турбоагрегатов, реализованных специалистами НПФ "Ракурс" на ТЭЦ ОАО НТМК. Сервер 1 накапливает информацию с АСУ ТП ТА ст.№2а, АСУ ТП ТА ст.№2б, АСУ ТП ТА ст.№4, Сервер 2 – с АСУ ТП ТА ст. №5б, АСУ ТП ТА ст. №1. Сервера связаны с ПК АСУ и управляющими контроллерами АСУ сетью Controller Link для получения оперативной информации о протекании ТП. А для передачи архивных данных сервер 1 и сервер 2 связываются друг с другом и ПК АСУ по Ethernet 10/100BaseFX.

Хранимые на серверах данные могут быть использованы в информационных системах более высокого уровня, что дает возможность в ближайшей перспективе создать автоматизированную систему оперативно-диспетчерского управления (АСОДУ) ТЭЦ НТМК и интегрировать АСУ ТП в общую Ethernet сеть НТМК.

К пятому уровню в структуре АСУ ТП ТА ст.№1 относится ПК, находящийся на главном щите управления (ГЩУ) турбинного цеха. На этот компьютер, с помощью пакета разработки SCADA систем CX-Supervisor фирмы OMRON, выводится информация по всем турбоагрегатам с АСУ ТП НПФ "Ракурс". Оператор компьютера ГЩУ владеет, в полном объеме, информацией о протекании технологического процесса. Ему доступны: дискретная история, графики, отчеты и другая информация. Также, имеется возможность при необходимости управлять исполнительными механизмами АСУ ТП.

Для обмена данными между уровнями информационной структуры АСУ ТП ТА ст.№1 используется несколько сетей: Compobus/D, Compobus/S, Controller Link, Ethernet 10/100BaseFX и ССД .

Конструктивно АСУ выполнена в виде металлических шкафов габаритами 2000х800х600 мм и 600х600х300 со степенью защиты IP55. Высокая степень защиты элементов системы позволила расположить большинство шкафов в непосредственной близости от работающего оборудования (генератора, турбины). При этом не мало средств было сэкономлено за счет минимальной длины кабелей и за счет уменьшения трудоемкости для их прокладывания.

АСУ ТП ТА ст. №1 выполняет следующие основные функции:

-циклический опрос всех технологических параметров турбогенератора, сравнение их с предупредительными и аварийными уставками;

-циклический опрос и контроль в соответствии с заданным алгоритмом дискретных сигналов;

-автоматическая индикация на экране отображающего устройства, регистрация на магнитном носителе компьютера текущих значений параметров при выходе их за пределы заданных уставок;

-формирование и вывод на бумажный носитель часовых и суточных отчетов по запросу оператора;

-выдача звуковой и световой предупредительной и аварийной сигнализации при всех отклонениях от нормального режима работы, с индикацией на экране отображающего устройства номера, времени и значения параметра, явившегося причиной выработки сигнала;

-контроль неисправности основных блоков с регистрацией и выдачей световой сигнализации и информационных сообщений;

-обработка измерительных параметров по заданным алгоритмам и регистрация результатов в памяти и на магнитном носителе информации с выдачей сигналов, когда это предусматривается алгоритмом. Для каждого параметра или группы однородных параметров, указанных в проекте автоматизации или инструкции завода – изготовителя, задаются от одной до 4 уставок;

-полный комплекс защит и блокировок, включая защиты по вибрации и механическим величинам;

-автоматическое регулирование заданных параметров (температуры, давления, уровня);